FR2532867A1 - METHOD FOR MANUFACTURING ALUMINUM POWDER ALLOY PRODUCTS HAVING IMPROVED RESISTANCE PROPERTIES - Google Patents
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Abstract
PROCEDE DE PREPARATION D'UN ARTICLE METALLIQUE PRESENTANT DES PROPRIETES MECANIQUES AMELIOREES. ON UTILISE DES PARTICULES D'ALLIAGE METALLIQUE, AMELIORANT LA RESISTANCE ET SUSCEPTIBLES DE DEGRADATION A TEMPERATURES ELEVEES ET ON CHAUFFE RAPIDEMENT CE METAL A UNE TEMPERATURE ELEVEE ET ON LE COMPRIME A UNE TEMPERATURE ELEVEE EN UNE MASSE COMPACTE AYANT SENSIBLEMENT SA DENSITE MAXIMUM, DE TELLE SORTE QUE LES PRODUITS FABRIQUES MANIFESTENT UNE AMELIORATION D'AU MOINS 5 DE L'UNE OU DE PLUSIEURS DE LEURS PROPRIETES MECANIQUES PAR RAPPORT A UN PRODUIT ANALOGUE PRODUIT DE LA MEME FACON A L'EXCEPTION DU CHAUFFAGE. APPLICATION A L'AMELIORATION DES PRODUITS FRITTES EN ALLIAGE A BASE D'ALUMINIUM.PROCESS FOR THE PREPARATION OF A METAL ARTICLE HAVING IMPROVED MECHANICAL PROPERTIES. METAL ALLOY PARTICLES ARE USED, IMPROVING THE STRENGTH AND LIKELY TO DEGRADATION AT HIGH TEMPERATURES AND WE QUICKLY HEAT THIS METAL TO A HIGH TEMPERATURE AND IT IS COMPRESSED AT A HIGH TEMPERATURE INTO A LARGE COMPACT SENSITIVE MASS. THAT THE PRODUCTS MANUFACTURED SHOW AN IMPROVEMENT OF AT LEAST 5 OF ONE OR MORE OF THEIR MECHANICAL PROPERTIES OVER ANALOGUE PRODUCT PRODUCED IN THE SAME WAY WITH THE EXCEPTION OF HEATING. APPLICATION TO THE IMPROVEMENT OF FRITTED ALLOY PRODUCTS BASED ON ALUMINUM.
Description
PROCEDE DE FABRICATION DE PRODUITS A BASE D'ALLIAGE DE POUDREMETHOD FOR MANUFACTURING POWDER ALLOY PRODUCTS
D'ALUMINIUM PRESENTANT DES PROPRIETES DE RESISTANCE AMELIOREE OF ALUMINUM HAVING IMPROVED RESISTANCE PROPERTIES
La présente invention concerne la fabrication de produits à base de poudre d'alliage d'aluminium améliorés, se caractérisant par des pro- priétés de résistance améliorée et utile de ce fait à titre de composants structurels pour l'aérospatiale et'dans d'autres applications nécessitant une résistance élevée et elle concerne des procédés de fabrication de tels The present invention relates to the manufacture of improved aluminum alloy powder products, characterized by improved strength properties and useful as structural components for aerospace and other applications. applications requiring high strength and it relates to methods of manufacturing such
produits à base de poudre,à résistance améliorée. powder-based products with improved strength.
Les alliages d'aluminium ont été largement utilisés dans des appli- Aluminum alloys have been widely used in
cations importantes telles qu'en-aviation o l'aluminium est bien connu pour le rapport élevé de sa résistance à son poids Divers efforts ont été faits-pour améliorer encore la résistance des alliages d'aluminium, important cations such as aviation where aluminum is well known for the high ratio of its resistance to its weight Various efforts have been made to further improve the strength of aluminum alloys,
y compris l'utilisation d'alliages à base de poudre d'aluminium d'ans les- including the use of aluminum powder-based alloys during the
quels la poudre d'aluminium est comprimée et mise sous la forme d'articles which aluminum powder is compressed and put into the form of articles
utiles Les produits réalisés à partir de la poudre d'aluminium sont généra- The products made from aluminum powder are generally
lement considérés comme ayant des propriétés mécaniques améliorées telles qu'une résistance ou une rigidité meilleures que celles de nombreux produits non réalisés à partir de poudre tels que l'indiquent divers documents, par exemple les brevets des Etats Unis d'Amérique N O 2 963 780, 3 544 392, They are believed to have improved mechanical properties such as better strength or stiffness than many non-powdered products as indicated by various documents, for example US Pat. Nos. 2,963,780. , 3,544,392,
3.637 441, 3 899 820, 3 954 4489 et 4 104 061 indiqués ici à titre de ré- 3,637,441, 3,899,820, 3,954,489, and 4,104,061 shown here as references to
férence Néanmoins, le désir existe toujours d'améliorer encore la résis- However, the desire still exists to further improve the resistance
tance des produits réalisés à partir de poudre -Les produits réalisés à partir de poudre sont fabriqués à partir de poudre elle-méme fabriquée par of products made from powder - Products made from powder are made from powder itself made by
trempe rapide d'alliage d'aluminium liquide atomisé, ce qui a comme résul- rapid quenching of atomized liquid aluminum alloy, which results in
tat de donner une dispersion fine de particules intermcétalliques et d'amé- to give a fine dispersion of intermetallic particles and
liorer la résistance des niasses compactr 5 sformées par pressage ou tassement to improve the resistance of compact compactr 5 masses by pressing or settling
de ces poudres d'aluminium.of these aluminum powders.
En général, il existe deux types d'alliage de poudre d'aluminium,ceuxs ceptibles de recevoir un traitement thermique et ceux qui ne se traitent pas thermiquement- Dans les alliages susceptibles de traitement thermique, de fines particules intermétalliques non cohérentes, désignées sous le nom de dispersoides, servent à contrôler la taille du grain et à limiter In general, there are two types of aluminum powder alloys, those that can be heat-treated and those that do not heat-treat. In heat-treatable alloys, non-coherent intermetallic fine particles, designated as dispersoids, are used to control grain size and to limit
la quantité de recristallisation en fixant les limites de grain pour don- the amount of recrystallization by setting the grain boundaries to give
ner des produits ayant une résistance et une tenacité élevées D'autre part, les alliages d'aluminium renforcés pa'r dispersion etnon susceptibles Products with high strength and toughness On the other hand, aluminum alloys reinforced by dispersion and not susceptible
de traitement -thermique, s'appuient sur les particules intermétalli- -thermic treatment, rely on intermetallic particles
ques non cohérentes fines pour augmenter la résistance de la matrice non-coherent thin ones to increase the resistance of the matrix
d'aluminium en empêchant le mouvement de dislocation (écoulement plasti- of aluminum by preventing the dislocation movement (plastic flow
que)d à leur situation rapprochée Dans les deux types d'alliage, il that) d to their close situation In both types of alloy, it
est souhaitable de maintenir les particules disperso 1 des et intermétal- It is desirable to maintain the dispersal and intermetallic particles
liques dans l'état de finesse et de rapprochement voulus pour obtenir une bonne combinaison de résistance et de tenacité Divers perfectionnements d'alliage et perfectionnements de procédé ont été accomplis pour augmenter le gain de propriété obtenu par ce durcissement par dispersion et le désir In the state of fineness and approximation desired to obtain a good combination of strength and tenacity Various alloying improvements and process improvements have been made to increase the property gain obtained by this dispersion hardening and the desire
existe toujours d'améliorer encore la résistance des produits à base d'alu- still exists to further improve the resistance of aluminum products.
minium en poudre compactée Une augmentation de résistance de 5 à 10 % est considérée comme étant hautement significative et une augmentation'de 10 à 20 % est considérée comme extrêment souhaitable spécialement lorsqu'elle peut être obtenue dans des conditions de traitement qui ne modifient pas A 5-10% strength increase is considered to be highly significant and an increase of 10-20% is considered extremely desirable especially when it can be obtained under non-modifying treatment conditions.
la compositiondel'alliage et permettent de continuer à utiliser -les com- the composition of the alloy and make it possible to continue to use
positions connues et sures, mais à un degré de résistance plus élevé positions known and safe, but at a higher degree of resistance
Suivant la présente invention, les produits à base de poudre d'alu- According to the present invention, products based on aluminum powder are
minium sont compactés et mis en forme de structure utile ayant des proprié- are compacted and shaped into a useful structure with
tés de résistance améliorées à la fois à la température ambiante et à des températures élevées telles qu'à des températures de 2320 C ou plus Dans la mise en oeuvre de la présente invention, les poudres d'aluminium sont comprimées et chauffées à des températures relativement élevées sous une pression suffisante pour produire une masse compacte de densité très élevée, supérieure à 90 %,' et,de préférence, même supérieure à 95 % deladensité totale ou théorique Il est important, selon la présente invention pour obtenir Resistance units improved both at room temperature and at elevated temperatures such as at temperatures of 2320 ° C. or higher. In the practice of the present invention, the aluminum powders are compressed and heated to relatively low temperatures. at a pressure sufficient to produce a compact mass of very high density, greater than 90%, and preferably even greater than 95% of the total or theoretical density. It is important, according to the present invention to obtain
l'amélioration de résistance souhaitée que le chauffage de la masse com- the desired resistance improvement that the heating of the mass com-
pacte soit effectuée par des techniques de chauffage internes par induc- pact is carried out by internal heating techniques
tion dans lesquelles des courants électriques tels que des courants de in which electrical currents such as currents of
Foucault sont induits au sein de la masse compacte pour la chauffer rapi- Foucault are induced within the compact mass to heat it rapidly.
dement à l'intérieur à la température désirée Le chauffage par induction rapide permet d'atteindre des températures relativement élevées de l'ordre de internally at the desired temperature Fast induction heating can achieve relatively high temperatures in the range of
4270 C nécessaires pour libérer la vapeur d'eau liée chimiquement et d'au- 4270 C necessary to release chemically bound water vapor and
tres gaz tout en réduisant le temps pendant lequel le grossissement ou gas while reducing the time during which magnification or
l'agglomération des particules métalliques peut avoir lieu Ainsi, le chauf- the agglomeration of metal particles can take place.
fage par induction rapide suivant la présente invention a comme résultat de donner une structure disperso Tde extrêmement serrée et d'une-finesse extrêmement souhaitable en vue d'améliorer les propriétés mécaniques des produits dérivés de la poudre d'aluminium. Les poudres utiles à la mise en oeuvre de-la présente invention sont, de préférence, préparées par atomisation d-'un alliage fondu surchauffé, et bien mélangé, bien que d'autres techniques de préparation de particules telles que des procédés par projection ou par filage d'un ruban fondu qui The fast induction process of the present invention results in an extremely tight and extremely desirable disperso Tde structure with a view to improving the mechanical properties of the products derived from aluminum powder. The powders useful in the practice of the present invention are preferably prepared by atomizing a superheated molten alloy, and well mixed, although other particle preparation techniques such as by spinning a melted ribbon that
sont également capables de procurer une trempe rapide sont aussi considé- are also able to provide rapid quenching are also considered
rés comme convenant à la production de particules d'alliage d'aluminium res as suitable for the production of aluminum alloy particles
dans la mise en pratique de la présente invention On préfère que l'atomi- In the practice of the present invention it is preferred that the atomization
sation soit mise en oeuvre dans des conditions au en présence d'un gaz re- tion is carried out under conditions in the presence of a
lativement non oxydant en vue de réduire la teneur en oxyde de la poudre. a non-oxidizing effect to reduce the oxide content of the powder.
On a trouvé qu'un gaz de combustion était adéquat bien que d'autres gaz non oxydants peuvent aussi servir la fin envisagée Les conditions de production de la poudre peuvent être observées de façon à réaliser des particules d'une taille inférieure à 100 mailles, de préférence telle qu'au moins 85 % de la poudre passe à travers un tamis de 325 mailles (série de Tyler) Outre, la nécessité d'éviter une teneur élevée en oxyde, on appréciera que la propreté It has been found that a flue gas is adequate although other non-oxidizing gases may also serve the intended purpose. The conditions of production of the powder may be observed so as to produce particles smaller than 100 mesh. preferably, such that at least 85% of the powder passes through a 325 mesh screen (Tyler series) In addition, the need to avoid a high oxide content, it will be appreciated that the cleanliness
de la poudre est aussi significative dans la production d'une poudre de qua- powder is also significant in the production of a powder of
lité et des produits qui en dérivent. and products derived from it.
Divers compositions de poudre d'alliage d'aluminium peuvent être'uti- Various compositions of aluminum alloy powder may be used
lisées dans la mise en pratique de la présente invention bien que l'étendue de l'amélioration puisse être plus importante avec quelques alliages qu'avec -d'autres Le tableau I énumère un certain nombre d'alliages que l'on estime convenir à la mise en pratique de la présente invention Les compositions In the practice of the present invention, although the extent of the improvement may be greater with some alloys than with others, Table I lists a number of alloys which are believed to be suitable for use in the present invention. the practice of the present invention
indiquées ici, le sont en pourcentage en poids à moins d'autres indications. indicated here, are in percent by weight unless otherwise indicated.
L'invention est considérée comme étant particulièrement utile pour les alliages nécessitant une résistance ou une tenacité élevée et contenant des particules intermétalliques ou autrement dispersées qui auraient tendance à grossir ou à s'agglomérer à des températures élevées ou à une exposition prolongée à la chaleur Dans les alliages susceptibles d'être traités par voie thermique, des dispersoides tels que Al 12 Mg 2 Cr, AI 20 Mn 3 Cu 2, Al 3 Zr et The invention is considered particularly useful for alloys requiring high strength or toughness and containing intermetallic or otherwise dispersed particles which would tend to grow or agglomerate at high temperatures or prolonged exposure to heat. the alloys that can be treated thermally, dispersoids such as Al 12 Mg 2 Cr, Al 2 Mn 3 Cu 2, Al 3 Zr and
Co 2 A 19 sont des exemples de particules dispersées susceptibles de grossis- Co 2 to 19 are examples of dispersed particles which can be
sement par exposition à la chaleur Dans les alliages non susceptibles d'être traités par voie thermique,des intermétalliques tels que A 16 Fe, A 13 Fe et Fe Ni Al 9 sont des exemples de particules dispersées susceptibles de Heat-insensitive alloys In non-heat-treatable alloys, intermetallics such as A 16 Fe, A 13 Fe and Fe Ni Al 9 are examples of dispersed particles that are likely to be heat treated.
TABLEAU ITABLE I
Elements Zn Mg Cu Fe Si Mn Cr Co Zr Ni Al principaux ,, Al-Zn-Mg 3-14 0,54,5 3 3 0,5 2 1 3 2 3 reste Al-Cu 5 * 5 1-8 5 * 2 * 5 2 5 * 2 5 * reste AI-Mg 5 * 1-8 2 3 2 * 5 2 3 2 3 reste Al-Fe 5 5 10 0,5-15 15 5 5 15 5 15 reste Al-Mn 5 3 3 7 10 0,o 5-15 5 * 7 3 7 reste Al-Si 5 * 5 5 5 1-30 10 2 3 2 5 reste Elements Zn Mg Cu Fe Si Mn Cr Co Zr Ni Al main ,, Al-Zn-Mg 3-14 0.54.5 3 3 0.5 2 1 3 2 3 remains Al-Cu 5 * 5 1-8 5 * 2 * 5 2 5 * 2 5 * remainder AI-Mg 5 * 1-8 2 3 2 * 5 2 3 2 3 remainder Al-Fe 5 5 10 0.5-15 15 5 5 15 5 remainder Al-Mn 5 3 3 7 10 0, o 5-15 5 * 7 3 7 remains Al-Si 5 * 5 5 5 1-30 10 2 3 2 5 remains
O * * 5O * * 5
*NOTE: les éléments d'alliage auxiliaires sont désignés sans indication d'intervalles et peuvent être présents jusqu'aux quantités indiquées à titre d'addition ou autrement D'autres éléments pouvant être présents comprennent le béryllium, le titane, le vanadium, le tungstène, le molybdène, le niobium, le tantale et * NOTE: Auxiliary alloying elements are designated without indication of ranges and may be present up to the amounts indicated as additions or otherwise Other elements that may be present include beryllium, titanium, vanadium, tungsten, molybdenum, niobium, tantalum and
le cérium, du mischmétal et d'autres éléments de terres rares en quantité ne dépassant pas 10 %. cerium, mischmetal and other rare earth elements in a quantity not exceeding 10%.
La somme combinée de tous les éléments autres que les éléments principaux et l'aluminium ne dépassent, de préférence, pas 25 % Ln w J' Co grossissement par voie thermique Tel qu'utilisé ici, le terme "particules The combined sum of all elements other than the main elements and aluminum preferably does not exceed 25% Ln w J 'Co thermal magnification As used herein, the term "particles"
dispersées" veut signifier toutes les particules qui peuvent être agglomé- dispersed "means all the particles that can be
rées ou grossies par exposition à la chaleur que les particules se forment reated or magnified by exposure to heat as particles form
par congélation ou par précipitation subséquente ou autrement. by freezing or subsequent precipitation or otherwise.
Le tableau II donne des exemples spécifiques de produits compacts d'alliage de poudre d'aluminium susceptibles d'être traités par voie thermique (HT) et non susceptibles d'être traités par voie thermique (NHT) Table II gives specific examples of compact products of alloy of aluminum powder which can be treated thermally (HT) and not likely to be treated thermally (NHT).
qui ont été traités selon la présente invention. which have been treated according to the present invention.
Avant le compactage final en une billette ou une autre forme utile, les poudres peuvent être comprimées isostatiquement sous la forme d'une ébauche compacte cohérente pour des facilités de manipulation Ceci peut être effectué en plaçant la poudre dans un sac tel qu'un sac de caoutchouc ou de plastique qui, à son tour, est placé à l'intérieur d'un fluide hydraulique pour transmettre la pression à la poudre à travers le sac Une pression dans la gamme d'environ 5 à 60 ksi ( 34 à 412 M Pa) peut être appliquée au fluide hydraulique pour comprimer la poudre en une forme Before final compaction into a billet or other useful form, the powders can be isostatically compressed into a coherent compact blank for ease of handling. This can be done by placing the powder in a bag such as a bag of rubber or plastic which, in turn, is placed inside a hydraulic fluid to transmit pressure to the powder through the bag A pressure in the range of about 5 to 60 ksi (34 to 412 M Pa ) can be applied to the hydraulic fluid to compress the powder into a form
cohérente présentant environ 60 % à 90 % ou 95 % de sa densité totale et dési- consistent with about 60% to 90% or 95% of its total density and
gnée sous le nom d'ébauche compacte La température de compression de cette is known as the compact blank The compression temperature of this
ébauche compacte est, de préférence, la température ambiante ou une tempé- compact blank is preferably room temperature or a room temperature.
rature ne dépassant pas 121 'C, de préférence ne-dépassant pas 520 C De pré- not exceeding 121 ° C, preferably not exceeding
férence, on évite les liants organiques dans l'ébauche compacte L'avantage d'un compactage isostatique est de procurer une forme cohérente pour la However, organic binders are avoided in the compact blank. The advantage of isostatic compaction is to provide a coherent shape for the
poursuite du traitement.continuation of treatment.
De préférence avec, ou de façon moins préférée sans compactage iso- Preferably with, or less preferably without, isotropic compaction.
statique préalable, l'alliage de poudre d'aluminium est compacté jusqu'à prior static, the alloy of aluminum powder is compacted up to
sensiblement sa densité totale à une température relativement élevée supé- its total density at a relatively high temperature higher than
rieure à 3430 C et, de préférence, d'au moins 371 ou 3990 C Lorsque l'on than 3430 C and preferably at least 371 or 3990 C When
parle de densité sensiblement totale, on veut dire que la billette compac- refers to substantially total density, we mean that the compact billet
tée est sensiblement exempte de porosité et que sa densité est égale à 95 % is substantially free of porosity and has a density of 95%
ou plus de sa densité solide théorique, de préférence 98 % ou 99 % ou plus. or more than its theoretical solid density, preferably 98% or 99% or more.
Il est souhaitable que le compactage à la densité totale soit-effectué à une température minimum supérieure à 3430 C, par exemple 3570 C ou plus et, It is desirable that compaction at total density be carried out at a minimum temperature above 3430 C, for example 3570 C or more and,
de préférence à une température minimum de 371 ou 3990 C ou plus La tem- preferably at a minimum temperature of 371 or 3990 C or more.
pérature maximum de compactage ne devrait pas dépasser 593 ou 6490 C et, maximum compaction temperature should not exceed 593 or 6490 C and,
de préférence ne pas dépasser 5370 C Dans quelques cas, on préfère effec- preferably not more than 5370 ° C. In some cases, it is preferable to
tuer le compactage jusqu'à la densité totale sous vide ou dans une atmos- kill the compaction to the total density under vacuum or in an atmosphere
phère gazeuse relativement non oxydante Le compactage sous vide peut être avantageux pour la rigidité du produit en poudre et'c'est la solution que relatively non-oxidizing gaseous gas Vacuum compaction can be advantageous for the rigidity of the powdered product and this is the solution that
TABLEAU IlTABLE II
NHT non susceptible'd'être traité par voie thermique. NHT is unlikely to be treated thermally.
HT susceptible d'être traité thermiquement. HT that can be heat treated.
oe o' Alliage si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Co Zn Ce Alliage type a NHT 0,05 2,9 0, 01 0,02 7,3 -= b NHT 0,13 1,6 3,7 0,02 c NHT 0,08 8,8 0,01 0,01 3,7 d HT 0,12 0,15 1,0 2,5 1,6 8,0 l'on préfère lorsque la tenacité est d'une haute importante Lorsque l'on oe o 'Alloy if Fe Cu Mn Mg Cr Ni Co Zn This alloy type a NHT 0.05 2.9 0.01 0.02 7.3 - = b NHT 0.13 1.6 3.7 0.02 c NHT 0.08 8.8 0.01 0.01 3.7 d HT 0.12 0.15 1.0 2.5 1.6 8.0 is preferred when the tenacity is high when one
procède ainsi, la poudre ou l'ébauche compactée isostatiquement et chauf- the powder or compact isostatically compacted and heated
fée par induction, est placée dans une chambre qui est mise sous vide jusqu'à un niveau de pression de 1 torr, de préférence 10-t ou 10-2 torr ou moins(ltorr est égal à 133 pascals à 00 C) Le matériau peut être comprimé jusqu'à une t densité pratiquementmaxi-mum à la température élevée souhaitée alors qu'il by induction, is placed in a chamber which is evacuated to a pressure level of 1 torr, preferably 10-t or 10-2 torr or less (ltorr equals 133 pascals at 00 C). can be compressed to a density of substantially maxi-mum at the desired elevated temperature while
est encore dans la chambre sous vide. is still in the vacuum chamber.
En accord avec la présente invention, il est important que le chauf- In accordance with the present invention, it is important that the heater
fage du matériau de poudre d'aluminium pour son compactage soit effectué rapidement par chauffage par induction jusqu'à la-température de compactage désirée Le chauffage par induction est typiquement effectué en plaçant la poudre isostatiquement comprimée à l'intérieur d'un appareil de chauffage The induction of the aluminum powder material for compaction is accomplished rapidly by induction heating to the desired compacting temperature. Induction heating is typically accomplished by placing the isostatically compressed powder inside a heater.
par induction disposé pour induire du courant au sein de la masse compacte. by induction arranged to induce current within the compact mass.
Une disposition convenant au chauffage d'une ébauche compacte cylindrique An arrangement suitable for heating a compact cylindrical blank
consiste à employer une bobine d'induction cylindrique possédant une ouver- consists in using a cylindrical induction coil having an opening
ture de noyau juste un peu plus importante que la masse compacte et à dis- just slightly larger than the compact mass and
poser la masse compacte coaxialement à l'intérieur du noyau ouvert de la bobine d'induction Le passage du courant électrique à travers la bobine d'induction induit dans la masse compacte un courant qui la chauffe La fréquence et les paramètres électriques de l'unité d'induction et la taille de la bobine devraient être choisis pour procurer une vitesse de chauffage élevée et pour que la température soit sensiblement uniforme suivant toute la longueur de la masse compacte Par exemple, un four à induction Ajax Magnatherme fonctionnant à une fréquence de 60 cycles par seconde et dont la bobine a un diamètre d'environ 18,5 cm peut être utilisé pour chauffer des ébauches compactes d'un diamètre d'environ 15,2 cm L'homme de l'art appréciera que la profondeur du chauffage par induction est généralement put the compact mass coaxially inside the open core of the induction coil The passage of the electric current through the induction coil induces in the compact mass a current that heats the frequency and the electrical parameters of the unit The induction coil and the size of the coil should be chosen to provide a high heating rate and so that the temperature is substantially uniform along the entire length of the compact mass. For example, an induction furnace Ajax Magnatherme operating at a frequency of 60 cycles per second and whose coil has a diameter of about 18.5 cm can be used to heat compact blanks with a diameter of about 15.2 cm. Those skilled in the art will appreciate that the depth of the heating by induction is usually
inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement de la bobine. inversely proportional to the operating frequency of the coil.
En outre, la géométrie de la bobine (nombre de tours, diamètre et longueur) par rapport à la masse compacte influencera la vitesse de chauffage Dans la pratique de la présente invention, on préfère que le temps de montée en température jusqu'à moins 3430 C ne soit pas supérieur à une heure et, de préférence, inférieur à 30 minutes On a, par exemple, utilisé un temps de In addition, the geometry of the coil (number of turns, diameter and length) relative to the compact mass will influence the rate of heating. In the practice of the present invention, it is preferred that the temperature rise time to minus 3430 C is not greater than one hour and preferably less than 30 minutes.
montée en température à la température de compactage inférieur à 15 minutes. temperature rise at the compaction temperature of less than 15 minutes.
Cette vitesse élevée de montée en température par induction procure des temps de chauffage beaucoup plus courts à des températures élevées que les méthodes de l'art antérieur qui s'appuient sur des fours par convection classiques pour chauffer extérieurement les masses compactes Des durées de cycle thermique de 8 à 25 heures ont été indiquées dans les approches This high rate of induction temperature rise provides much shorter heating times at elevated temperatures than the prior art methods which rely on conventional convection ovens to externally heat the compact masses. Thermal cycle times 8 to 25 hours were indicated in the approaches
typiques de l'art antérieur pour chauffer la masse entière même d'une pe- typical of the prior art for heating the entire mass even of a small
tite masse compacte à la température désirée,pour la dégazer et ensuite la tite compact mass at the desired temperature, to degas it and then the
comprimer à sa densité totale Un chauffage rapide selon la présente inven- compress to its total density A rapid heating according to the present invention
tion procure des durées de chauffage courte pour les températures élevées nécessaires pour libérer l'eau liée chimiquement et d'autres gaz réduisant ainsi les risques pour un effet thermique plus lentde donner provides short heating times for the high temperatures required to release chemically bonded water and other gases, thereby reducing the risks for a slower thermal effect of
lieu à un grossissement ou à une agglomération des particules intermétal- magnification or agglomeration of the intermetallic particles.
liques Des masses compactes d'une plus grande taille, par exemple de 50 ou 75 cm ou plus, peuvent bien entendu nécessiter des temps de chauffage plus longs que les pièces de petites tailles Néanmoins, on désire limiter le temps de chauffage à une valeur ne dépassant pas 0,2 heure pour 2,5 cm d'épaisseur (par exemple diamètre ou plus petite dimension transversale), de préférence ne dépassant pas 0,15 heure pour 2,5 cm ou mieux encore 0,1 -15 heure par 2,5 cm d'épaisseur Des vitesses de chauffage ne dépassant pas Compact masses of larger size, for example 50 or 75 cm or more, may of course require longer heating times than small parts. Nevertheless, it is desirable to limit the heating time to a value not not exceeding 0.2 hours for 2.5 cm thick (eg diameter or smaller transverse dimension), preferably not exceeding 0.15 hours for 2.5 cm or better still 0.1 -15 hours per 2 , 5 cm thick Heating speeds not exceeding
0,05 heure par 2,5 cm d'épaisseur ont été employées avec de bons résultats. 0.05 hours per 2.5 cm thick were used with good results.
Ceci est en contraste avec les vitesses de chauffage de l'art antérieur This is in contrast with the heating rates of the prior art
atteignant une ou même deux heures pour 2,5 cm d'épaisseur. reaching one or even two hours for 2.5 cm thick.
Après que la masse compacte en poudre ait été rapidement chauffée After the compact powdery mass has been rapidly heated
par induction à la température désirée, on peut la maintenir à cette tem- by induction at the desired temperature, it can be maintained at this temperature.
pérature pendant un temps suffisant pour permettre la décomposition et during a sufficient time to allow the decomposition and
l'évacuation de la vapeur d'eau, de l'hydrogène et d'autres gaz contami- evacuation of water vapor, hydrogen and other contami-
nants avant le pressage à la densité totale La quantité de temps néces- before pressing at full density The amount of time required
saire pour que ceci se produise dépend quelque peu des conditions particu- for this to happen depends somewhat on the particular conditions
lières de température de densité et de taille de la masse compacte, les températures élevées et des masses compactes plus petites ou plus poreuses étant en faveur de durées plus courtes Pour une masse compacte de 15 cm environ de diamètre à 5100 C, 30 minutes seraient suffisantes, tendis que pour une masse compacte d'environ 30 cm de diamètre à 510 'C, une période Density temperature and compact mass size, with higher temperatures and smaller or more porous compact masses favoring shorter durations For a compact mass of about 15 cm in diameter at 5100 C, 30 minutes would be sufficient , only for a compact mass of about 30 cm diameter at 510 ° C, a period
de temps beaucoup plus longue telle que 60 minutes serait appropriée. much longer time such as 60 minutes would be appropriate.
Ainsi, l'invention envisage, après un rapide chauffage par induction à une température élevée, l'incorporation possible d'un temps de maintien à une Thus, the invention envisages, after a rapid induction heating at a high temperature, the possible incorporation of a holding time at a
température élevée Le temps alloué au dégazage est, de préférence, infé- high temperature The time allowed for degassing is preferably less than
rieur à une demi-heure, mais il peut aller jusqu'à 7,5 heures ou plus en fonction directe de la taille de la masse compacte et, en raison inverse de la température, en vue d'évacuer (dégaze 4 la masse compacte jusqu'à un niveau de pression de 133 Pa, de préférence 13,3 Paoul,33 Pa ou moins Néanmoins, half an hour, but it can go up to 7.5 hours or more depending on the size of the compact mass and, in inverse proportion to the temperature, in order to evacuate (degasses 4 the compact mass up to a pressure level of 133 Pa, preferably 13.3 Paoul, 33 Pa or less Nevertheless,
un temps de maintien à une température élevée ne devrait pas dépasser sensi- a hold time at a high temperature should not exceed
blement celui qui est nécessaire pour permettere la décomposition et the one necessary to allow decomposition and
l'évacuation de la vapeur et analogue Il est important que l'aggloméra- Steam evacuation and the like It is important that the agglomeration
tion excessive des particules dispersoîdes, caractéristiques des pratiques de chauffage externe lent de l'art antérieur soit évitée pour bénéficier de la pratique de la présente invention et pour cette raison, un temps de maintien à température élevée devrait être suffisant pour obtenir l'effet désiré de dégazage, mais ne devrait pas être assez long pour annuler ou compromettre excessivement les bénéfices du chauffage rapide à une Excessive dispersion of the dispersoid particles, characteristic of the slow external heating practices of the prior art, is avoided to benefit from the practice of the present invention and for this reason, a high temperature holding time should be sufficient to achieve the desired effect. of degassing, but should not be long enough to unduly cancel or compromise the benefits of rapid heating to a
température élevée.high temperature.
La température à laquelle la masse compacte est tout d'abord portée par chauffage par induction peut dépasser la température à laquelle elle est finalement pressée à sa densité totale 5 de 15 à 300 C ou même de 110 à 1650 C notamment lorsque le dégazage par le vide est employé pour améliorer la tenacité Ainsi, une masse compacte est chauffée par induction à une première température,'par exemple 510 C, et est ensuite placée dans une enceinte sous vide pour dégazage par le vide En-amenant la masse compacte à l'enceinte de dégazage et en la dégazant pendant environ 30 minutes, une The temperature at which the compact mass is first heated by induction heating may exceed the temperature at which it is finally pressed to its total density of 15 to 300 ° C or even 110 to 1650 ° C., especially when the degassing by the Vacuum is used to improve toughness. Thus, a compact mass is heated by induction at a first temperature, for example 510.degree. C., and is then placed in a vacuum chamber for vacuum degassing by bringing the compact mass to the vacuum. degassing chamber and degassing it for approximately 30 minutes, a
chute de température peut se produire jusqu'à environ 427 ou 4550 C, tempé- temperature drop can occur up to about 427 or 4550 C,
rature à laquelle la masse compacte est pressée jusqu'à sa densité totale. the compact mass is pressed to its full density.
Une autre approche consiste à chauffer par induction une masse compacte dans une enceinte sous vide éliminant ainsi l'étape de déplacement de la masse compacte pour le dégazage par le vide La masse compacte peut alors Another approach is to inductively heat a compact mass in a vacuum chamber thus eliminating the step of moving the compact mass for vacuum degassing. The compact mass can then
être placée dans une presse pour-être comprimée jusqu'à sa densité totale. to be placed in a press to be compressed to its total density.
A la suite du compactage jusqu'à sa densité sensiblement complète, la bil- As a result of compaction to its substantially complete density, the
lette compactée peut être mise en forme par exemple par forgeage, laminage, compacted lette can be shaped for example by forging, rolling,
extrusion ou analogue ou elle peut-être usinée en une forme utile On pré- extrusion or the like, or it may be machined to a useful shape.
fère que la masse compacte soit travaillée d'une quantité équivalente à une réduction dans sa section transversale d'au moins 25 %, de préférence à 60 % ou plus, si possible puisque ceci favorise l'amélioration des propriétés Les températures préférées pour ce travail vont d'environ 260 ensures that the compact mass is worked by an amount equivalent to a reduction in its cross-section of at least 25%, preferably 60% or more, if possible since this promotes the improvement of the properties Preferred temperatures for this work range from approximately 260
à environ 4550 C ou plus.at about 4550 C or more.
EXEMPLE 1EXAMPLE 1
L'alliage d'aluminium a du tableau II contenant 7,3 % de nickel, 2,9 % de fer (en poids) le reste étant de l'aluminium, est utilisé sous forme de poudre atomisée et compacte isostatiquement jusqu'à environ 75 % de sa densité totale à la température ambiante en masse compacte cylindrique d'environ 10 cm de diamètre et 30 cm de long Quelques-unes des masses compactes sont chauffées dans un four classique chauffé par convection Table II aluminum alloy containing 7.3% nickel, 2.9% iron (by weight), the remainder being aluminum, is used in the form of atomized powder and compacted isostatically up to about 75% of its total density at room temperature in compact cylindrical mass of about 10 cm in diameter and 30 cm in length Some of the compact masses are heated in a convection heated conventional oven
d'air du type classiquement employé pour chauffer de telles masses compactes. air of the type conventionally used to heat such compact masses.
La quantité de temps nécessaire pour chauffer les masses compactes aux températures désirées, soit 3710 C et 4270 C, a été de 7,5 heures dans le The amount of time required to heat the compact masses to the desired temperatures, 3710 C and 4270 C, was 7.5 hours in the
four classique A titre de comparaison, des masses compactes ont été réali- conventional furnace For comparison, compact masses have been realized
sées en accord avec la présente invention par chauffage par induction en juste moins de 12 minutes ( 0,18 heure) tel que l'indique le tableau III. Dans le cas des masses compactes chauffées au four, celles-ci ont été placées dans des boîtes et mises sous vide pour faciliter le pressage à chaud in accordance with the present invention by induction heating in just under 12 minutes (0.18 hours) as shown in Table III. In the case of furnace-heated compact masses, these have been placed in boxes and evacuated to facilitate hot pressing.
sous vide tandis que les masses compactes qui étaient chauffées par induc- under vacuum while the compact masses which were heated by induc-
tion n'ont pas été placées dans des boites et n'ont pas été pressées-à chaud sous vide Toutes les masses compactes après chauffage ont été were not placed in boxes and were not vacuum hot-pressed. All compact masses after heating were
promptement pressées à chaud en billettes de densité sensiblement totale. promptly hot pressed into billets of substantially total density.
Après pressage à la densité sensiblement totale, les billettes sont rac- After pressing at a substantially total density, the billets are
courcies de 60 % (en hauteur) par forgeage en disques et des échantillons à tester pour leur résistance à la traction sont prélevés en un point situé approximativement au quart de l'épaisseur à l'intérieur à partir 60% (in height) by forging discs and test samples for tensile strength are taken at a point approximately one-quarter of the inside thickness from
de la surface extérieure Les résultats des mesures de propriétés de ré- of the outer surface The results of the measurements of
ssistance à la traction prises à la fois à la température ambiante et à 2320 C sont représentés dans le tableau III o l'on voit facilement que les pièces forgées réalisées à partir des masses compactes chauffées par tensile strength taken at both room temperature and at 2320 C are shown in Table III where it is easily seen that the forgings made from the compact masses heated by
induction, 1-B, 1-D et 1-F manifestent des propriétés de résistance sensi- Induction, 1-B, 1-D and 1-F show significant resistance properties.
blement supérieures à celles des pièces forgées faites à partir des masses better than forgings from the masses
compactes chauffées au four 1-A, 1-C et 1-E. compact kiln-heated 1-A, 1-C and 1-E.
L'importance de l'amélioration dans l'Exemple 1-B est tout à fait The importance of improvement in Example 1-B is quite
significative du fait que l'on obtient une augmentation de 18 % de la résis- significant that an 18% increase in the resistance
tance à la rupture à 2320 C par chauffage par induction rapide comparé au chauffage au four à la température de pressage à chaud de 3710 C A la température de pressage à chaud de 4270 C, les résultats des exemples 1-D et 1-F sont encores impressionnants du fait qu'à la température ambiante The results of Examples 1-D and 1-F are shown in FIGS. 1 to 4, showing the breaking temperature at 2320 ° C. by rapid induction heating compared to heating the oven at the hot pressing temperature of 3710 ° C. impressive because at room temperature
on obtient une augmentation de 13 % et une température de 2320 C une augmen- we obtain an increase of 13% and a temperature of 2320 C an increase of
tation de 5 % de la résistance à la rupture Il est également significa- 5% of the breaking strength It is also significant
tif-que les améliorations de résistance des pièces forgées fabriquées à tif-that the strength improvements of forged forgings
partir des billettes chauffées par induction soient obtenues sans péna- induction-heated billets are obtained without penalty.
liser sérieusement l'allongement Une moindre résistance à la rupture est cependant obtenue dans l'exemple 1-D par rapport à l'exemple 1-C parce que la masse compacte de 1-B-<n'a pas été mise sous vide avant compactage à chaud jusqu'à la densité totale tandis que 1-C l'a été pour obtenir l'amélioration However, a lower breaking strength is obtained in Example 1-D than in Example 1-C because the compact mass of 1-B- <was not evacuated before hot compaction to total density while 1-C was to obtain improvement
de la tenacité.tenacity.
TABLEAU IIITABLE III
Consolidation des masses compactes Propriétés mécaniques Exemples méthode temps tempe compactage température limite d'é résistance KC Consolidation of compact masses Mechanical properties Examples method tempe time compaction temperature resistance limit KC
de en rature sous d'essai lasticité à la d'allon- of erosion under test elasticity to the allon-
chauffage heures o C vide oc en M Pa traction gement ksi Vii-n J j I________ _______ en M Pa _ _ four induction four induction four induction four induction four induction four four induction 7,5 0,18 7,5 0,19 7,5 0,19 7,5 0,5 7,5 0,5 7,5 0,17 3 Z 1 heating hours o C vacuum oc in M Pa traction ksi Vii-n J j I________ _______ in M Pa _ _ oven induction oven induction oven induction oven induction oven induction oven oven induction 7,5 0,18 7,5 0,19 7 , 0.19 7.5 0.5 7.5 0.5 7.5 0.17 3 Z 1
42 Z 742 Z 7
41.3 déterminé à partir de'spécimens forgé; oui non oui non oui non oui oui oui oui oui oui oui ambiante ambiante ambiante ambiante 23 Z ambiante ambiante ambiante de Charpyà flexion lente suivant une **KI Kic déterminé à partir d'échantillons sous tension de masse compacte par la 41.3 determined from forged specimens; yes no yes no yes no yes yes yes yes yes yes yes Ambient Ambient Ambient 23 Ambient Ambient Ambient Charpy with slow bend following a ** KI Kic determined from samples under ground compact voltage by the
transverse longitudinale).transverse longitudinal).
281 ' 12,2 11,2 14,7 ,3 4,3 6,4 8,3 32 * 19 * 281 '12.2 11.2 14.7, 3 4.3 6.4 8.3 32 * 19 *
17,6 **17.6 **
18,1 **18.1 **
,7 ** 1- 1- vi direction transversale du disque Co méthode ASTM E-399 (fissuration -J 1-A 1-B 1-C 1-D 1-E 1-F 2-A 2-B 2-C 2-D 3-A 3-B 3-C , 7 ** 1- 1- vi transverse direction of the disc Co method ASTM E-399 (cracking -J 1 -A 1 -B 1-C 1 -D 1 -E 1 -F 2 -A 2 -B 2-C 2-D 3-A 3-B 3-C
EXEMPLE 2EXAMPLE 2
Un alliage non susceptible d'être traité par yoie thermique c du tableau II, contenant environ 8,8 % de fer et 3,7 % de cérium (en poids), le reste étant de V'aluminium,est introduit sous forme de poudre atomisée et compactée isostatiquement à la température ambiante en masse compacte d'environ 15 cm de diamètre et 45 cm de long L'une d'entre elles ( 2-A) est encapsulée et dégazée sous vide à environ 413 'C pendant 7,5 heures An alloy which can not be treated with heat y of Table II, containing about 8.8% iron and 3.7% cerium (by weight), the remainder being aluminum, is introduced as a powder. atomized and compacted isostatically at room temperature in a compact mass about 15 cm in diameter and 45 cm long One of them (2-A) is encapsulated and degassed under vacuum at about 413 ° C for 7.5 hours
dans un four et pressée à chaud jusqu'à sa densité totale Une masse com- in an oven and hot pressed to its total density.
pacte semblable ( 2-B) ayant une composition identiqueest chauffée par similar pact (2-B) having an identical composition is heated by
induction à 413 'C pendant 30 minutes sous atmosphère d'argon en écoulement. induction at 413 ° C for 30 minutes under a flowing argon atmosphere.
La masse compacte chauffée par induction ( 2-B) est ensuite transférée dans un cylindre, mise sous vide et pressée jusqu'à sa densité totale Les billettes chauffées au four et chauffées par induction sont ensuite toutes les deux The inductively heated mass (2-B) is then transferred to a cylinder, evacuated and pressed to its full density. Both heated and induction heated billets are then both
extrudées à chaud en barres de 2 cm sur 10 cm dans les mêmes conditions. hot extruded in bars of 2 cm by 10 cm under the same conditions.
Le tableau III montre que la limite d'élasticité à la température ambiante des pièces extrudées à partir de la masse compacte chauffée par, induction ( 2-B) est de 6 % plus importante que celle des pièces extrudées faites Table III shows that the yield strength at room temperature of the extruded parts from the compact mass heated by induction (2-B) is 6% greater than that of the extruded parts made.
à partir de la masse compacte chauffée au four ( 2-A) tandis que la limi- from the compact mass heated in the oven (2-A) while the limi-
te d'élasticité des pièces provenant de la masse compacte chauffée par of elasticity of the parts coming from the compact mass heated by
induction à 2320 C ( 2-D) est de 9 % supérieure à celle de 2-C. Induction at 2320 C (2-D) is 9% greater than that of 2-C.
EXEMPLE 3EXAMPLE 3
Outre la résistance, la combinaison d'une résistance élevée avec In addition to the resistance, the combination of high resistance with
une bonne résistance à la rupture est souhaitable dans les alliages d'alumi- good breaking strength is desirable in aluminum alloys.
nium du type Al-Zn-Mg-Cu L'alliage d (Tableau II) contenant environ 8 % de zinc, 2,5 % de magnésium, 1 % de cuivre, 1,6 % de cobalt le reste étant de l'aluminium est produit sous la forme d'une poudre pré-alliée compactée isostatiquement à froid, encapsulée dans une boite et chauffée au four tout en étant mise sous vide en continu comme dans l'Exemple 2-A Les masses compactes mises en boites sont sous vide pendant 30 heures et pendant 7,5 heures à 510 'C Après dégazage, les masses compactes sont pressées à Al-Zn-Mg-Cu type alloy The alloy d (Table II) containing about 8% of zinc, 2.5% of magnesium, 1% of copper, 1.6% of cobalt, the rest being aluminum is produced in the form of an isostatically compacted pre-alloyed cold powder, encapsulated in a box and heated in the oven while being evacuated continuously as in Example 2-A compact masses in boxes are vacuum for 30 hours and for 7.5 hours at 510 ° C. After degassing, the compact masses are pressed to
chaud jusqu'à leur densité totale et elles sont ensuite extrudées à chaud. warm to their total density and then extruded hot.
Une autre masse compacte, compactée isostatiquement, ( 3-C) est chauffée Another compact mass, isostatically compacted, (3-C) is heated
par induction à une température de 510 %C sous atmosphère d'argon et trans- by induction at a temperature of 510% C under argon and trans-
férée dans un cylindre qui est soumis à un dégazage sous vide, et pressée à chaud à sa densité totale et ensuite extrudée à chaud Les durées de chauffage et de dégazage pour les masses compactes chauffées par induction ( 3-C) sont de 10 minutes au moins comme indiqué sur le tableau III Toutes les pièces extrudées sont traitées à chaud en solution, trempées à l'eau froide et traitées au four pendant 24 heures à 121 C et ensuite pendant in a cylinder which is subjected to vacuum degassing, and hot-pressed to its total density and then hot-extruded. The heating and degassing times for the inductively heated compact masses (3-C) are 10 minutes less as shown in Table III All extruded parts are heat treated in solution, quenched in cold water and oven-baked for 24 hours at 121 ° C and then during
une heure à 163 C à une trempe de type T 7 Le tableau III énumère la ré- one hour at 163 C at a T type quench 7 Table III lists the
sistance et la tenacité moyenne résultant de chacune des trois façons de procéder On peut noter que les propriétés moyennes des pièces extrudéesprovenant des masses compactes chauffées par induction ( 3-C) obtiennent strength and average tenacity resulting from each of the three ways of proceeding It can be noted that the average properties of the extruded parts resulting from inductively heated compact masses (3-C) obtain
la meilleure combinaison de résistance et de tenacité ( 14 et 18 % d'amélio- the best combination of strength and toughness (14 and 18% better
ration respectivement), comparées aux produits dérivés d'une masse compacte ration respectively), compared to products derived from a compact mass
chauffée au four ( 3-A et 3-B).oven-heated (3-A and 3-B).
La mise en pratique de la présente invention a comme résultat des améliorations d'au moins 5 % 5, plus convenablement des améliorations de 8 % The practice of the present invention results in improvements of at least 5%, more suitably 8% improvements.
et approchant ou même dépassant 10 % d'une ou de plusieurs propriétés mé- and approaching or even exceeding 10% of one or more
caniques résistance ou tenacité, ou les deux En outre, l'amélioration peut être obtenue sans changer la composition de l'alliage et l'invention est donc avantageuse pour le traitement de produits dont on connait les In addition, the improvement can be obtained without changing the composition of the alloy, and the invention is therefore advantageous for the treatment of products whose known properties are known.
qualités par ailleurs.qualities elsewhere.
Tandis quel'invention a été décrite en'se référant particulièrement aux produits travaillés à base d'aluminium formés à partir de matériaux en particules d'aluminium contenant plus de 50 % d'aluminium, on pense que l'invention peut être aussi utile à la production'd'articles améliorés et de produits faconnés à partir de poudres métalliques susceptibles d'être chauffés induction felle que des alliages de fer, de nickel, decobalt, de titane et de n gnésium, surtout lorsque de telles particules comprennent des disperso Tdes et des phases dégradables à la température dont la production comprend un While the invention has been described with particular reference to aluminum worked products formed from aluminum particulate materials containing more than 50% aluminum, it is believed that the invention may be as useful to the production of improved articles and shaped products from metal powders which can be heated fired only by alloys of iron, nickel, decobalt, titanium and magnesium, especially where such particles include dispersions. and temperature-degradable phases whose production includes a
chauffage à des températures suffisantes à détériorer ces propriétés. heating at temperatures sufficient to deteriorate these properties.
Ainsi, tandis que l'invention est décrite en se référant particuliè- Thus, while the invention is described with particular reference to
rement à un chauffage rapide de masse compacte de poudre par des techniques de chauffage par induction, on pense que d'autres techniques peuvent aussi Due to the use of induction heating techniques, it is thought that other techniques can also be used for rapid heating of the compact powder mass.
être utilisées telles que d'autres techniques de chauffage interne. be used such as other internal heating techniques.
Bien entendu, la présente invention nẻst pas limitée aux modes de réali sation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes tessibles à l'homme de l'art, sans que l'on nes'écarte de l'esprit de l'invent Of course, the present invention is not limited to the embodiments described and shown and is capable of numerous variants that are accessible to those skilled in the art, without departing from the spirit of the invention.
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